JP2011110670A - 超音波加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工工具をホーン先端に取り付けて片支持した超音波加工装置において、超音波振動子の縦振動と加工工具の半径方向の伸び振動とをきれいな共振状態とすることが可能な超音波加工装置の提供。
【解決手段】中空の本体スリーブ２ａを有し、軸線Ｃ周りに回転駆動されるスピンドル２と、本体スリーブ２ａ内の軸線Ｃ上に配置される超音波振動子３と、本体スリーブ２ａに固定され、超音波振動子３と同軸上に連接される支持ホーン４と、この支持ホーン４との間に軸線Ｃ周りに回転させる加工工具５を挟持する固定ホーン６とを有し、支持ホーン４および固定ホーン６は、加工工具５の端面５ａ，５ｂからの長さが超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種研削工具などの加工工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高効率な研削加工、切削加工や塑性加工などの加工を施すことのできる超音波加工装置に関する。

精密加工あるいは超精密加工の分野においては、被加工物の表面研磨や孔開け加工手段として超音波加工装置が使用されている。超音波加工装置は、一般に、モータによって回転駆動されるスピンドルと、スピンドルと同軸配置された超音波ヘッドと、超音波ヘッドに一体的に連結されたホーンと、ホーン先端に取り付けられた研削工具などを備えている。

例えば、特許文献１には、軸線周りに回転駆動されるスピンドルと、スピンドルに形成された中空の本体スリーブの中に配置する超音波振動子と、超音波振動子に同軸上に連接され、かつ本体スリーブの内周壁に拘束固定され、超音波振動子により励起された超音波振動を加工工具へ伝播する支持ホーンとを備えた超音波加工装置が開示されている。

また、特許文献２には、スピンドルの先端部に、略リング形状を有する極薄の切削砥石切削ブレードがフランジおよびナットによって装着された切削ユニットが開示されている。なお、スピンドルの大部分は、スピンドルハウジングに覆われているが、先端部は、スピンドルハウジングから露出しており、かかる先端部に切削ブレードが装着されている。また、スピンドルハウジングは、内部に設けられたエアベアリングによってスピンドルを高速回転可能に支持している。

また、特許文献３には、超音波ホーンとブースタ（支持ホーン）と振動子とが無頭ねじで同軸な一列状に結合され、ブースタの支持部が図外の超音波振動切断装置のホルダに回転可能に両支持された超音波加工用共振器が開示されている。また、この特許文献３には、第１、第２実施形態では共振器（共振体）を支持部で両支持する形態であるが、共振器からブースタを取り外して支持部でホルダに片支持する形態も可能であることが記載されている。

特開２００９−２８８８２号公報 特開２００６−１４０２１０号公報 特開２００２−３５６９５号公報

ところで、上記特許文献１〜３に記載の超音波加工装置は、いずれも支持ホーンの端面に取り付けられた超音波振動子の駆動力を加工工具の半径方向の対称伸び振動に伝えるＬ−Ｒ変換体を構成しており、超音波振動子のスピンドル軸方向の縦振動と加工工具の半径方向の伸び振動とが一体となって共振するようになっている。

このとき、特許文献３に記載のように共振体を支持部で両支持した場合には、超音波振動子の縦振動と加工工具の半径方向の伸び振動とをきれいな共振状態とすることが容易であるが、この特許文献３に記載のように共振体から一方のブースタを取り外して支持部でホルダに片支持した場合、すなわち、特許文献２に記載のように加工工具を片支持した場合には、超音波振動子の縦振動と加工工具の半径方向の伸び振動との共振が、きれいな共振状態とはなりにくい。

そこで、本発明では、加工工具をホーン先端に取り付けて片支持した超音波加工装置において、超音波振動子の縦振動と加工工具の半径方向の伸び振動とをきれいな共振状態とすることが可能な超音波加工装置を提供することを目的とする。

本発明の超音波加工装置は、中空の本体スリーブを有し、軸線周りに回転駆動されるスピンドルと、本体スリーブ内の軸線上に配置される超音波振動子と、本体スリーブに固定され、超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーンと、この支持ホーンとの間に軸線周りに回転させる加工工具を挟持する固定ホーンとを有し、支持ホーンおよび固定ホーンは、加工工具の端面からの長さが超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２であることを特徴とするものである。

本発明の超音波加工装置は、支持ホーンと固定ホーンとの間に挟持される加工工具は、支持ホーンが本体スリーブに固定されることによって片支持されており、超音波振動子により励起された超音波の縦振動は、加工工具端面からの長さがその波長の１／２である支持ホーンおよび固定ホーンと、加工工具とにより共振し、加工工具の半径方向の伸び振動へと変換される。このとき、超音波振動は、支持ホーンと同じ１／２波長の長さである固定ホーンの先端まで伝わり、きれいに反射して戻ってくるので、支持ホーンと加工工具と固定ホーンとの波長が整って、きれいな共振状態となり、加工工具の半径方向の伸び縮みの振動へと変換される。

ここで、支持ホーンは、超音波振動子が連接される本体部と、この本体部の外周面の中央部に鍔状に形成された基部と、この基部の外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、緩衝スリーブを本体スリーブに固定するためのフランジとを有するものであることが望ましい。

これにより、フランジにより支持ホーンはスピンドルの本体スリーブに固定されるが、円筒状の緩衝スリーブが形成される基部が、支持ホーンの軸線方向の位置が変化しないノード位置にあるうえ、緩衝スリーブが弾性変形するため、本体部に印加された超音波振動の本体スリーブへの漏洩が防止される。

また、支持ホーンは、超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、加工工具を貫通して固定ホーンと固定される支持部とが一体化されたものであることが望ましい。これにより、スピンドルの本体スリーブに固定された支持ホーンの支持部に対して加工工具を嵌め込み、支持部に固定ホーンを固定することで、加工工具を容易に取り付けることができる。

あるいは、固定ホーンが、超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、加工工具を貫通して支持ホーンと固定される支持部とが一体化されたものである構成とすることも可能である。これにより、固定ホーンの支持部に対して加工工具を嵌め込み、この支持部をスピンドルの本体スリーブに固定された支持ホーンに固定することで、加工工具を容易に取り付けることができる。

ここで、支持部の先端部は雄ねじであり、この雄ねじに締結される雌ねじによって支持ホーンと固定ホーンとが固定されるものであることが望ましい。これにより、加工工具を嵌め込んだ支持ホーンまたは固定ホーンの一方の支持部の先端部の雄ねじに、他方の固定ホーンまたは支持ホーンの雌ねじを締結することで、加工工具を容易に取り付けることができ、また取り外しも容易である。

（１）中空の本体スリーブを有し、軸線周りに回転駆動されるスピンドルと、本体スリーブ内の軸線上に配置される超音波振動子と、本体スリーブに固定され、超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーンと、この支持ホーンとの間に軸線周りに回転させる加工工具を挟持する固定ホーンとを有し、支持ホーンおよび固定ホーンは、加工工具の端面からの長さが超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２であることによって、加工工具を支持ホーン先端に取り付けて片支持した超音波加工装置において、超音波振動子の縦振動と加工工具の半径方向の伸び縮み振動とをきれいな共振状態とし、高効率な超音波加工を行うことが可能となる。

（２）支持ホーンが、超音波振動子が連接される本体部と、この本体部の外周面の中央部に鍔状に形成された基部と、この基部の外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、緩衝スリーブを本体スリーブに固定するためのフランジとを有するものであることにより、本体部に印加された超音波振動の本体スリーブへの漏洩が防止され、さらに高効率な超音波加工が可能な超音波加工装置が得られる。

（３）支持ホーンが、超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、加工工具を貫通して固定ホーンと固定される支持部とが一体化されたものであることにより、スピンドルの本体スリーブに固定された支持ホーンの支持部に対して加工工具を嵌め込み、支持部に固定ホーンを固定することで、加工工具を容易に取り付けることが可能な超音波加工装置が得られる。

（４）固定ホーンが、超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、加工工具を貫通して支持ホーンと固定される支持部とが一体化されたものであることにより、固定ホーンの支持部に対して加工工具を嵌め込み、この支持部をスピンドルの本体スリーブに固定された支持ホーンに固定することで、加工工具を容易に取り付けることが可能な超音波加工装置が得られる。

（５）支持部の先端部が雄ねじであり、この雄ねじに締結される雌ねじによって支持ホーンと固定ホーンとが固定されるものであることにより、加工工具を嵌め込んだ支持ホーンまたは固定ホーンの一方の支持部の先端部の雄ねじに、他方の固定ホーンまたは支持ホーンの雌ねじを締結することで、加工工具を容易に取り付けることができ、また取り外しも容易な超音波加工装置が得られる。

本発明の実施の形態における超音波加工装置の主要部の断面図である。 図１の支持ホーン、加工工具および固定ホーンを分解した状態を示す断面図である。 本発明の超音波加工装置の別の実施の形態を示す主要部の断面図である。 本発明の超音波加工装置のさらに別の実施の形態を示す主要部の断面図である。

図１は本発明の実施の形態における超音波加工装置の主要部の断面図、図２は図１の支持ホーン、加工工具および固定ホーンを分解した状態を示す断面図である。

図１において、本発明の実施の形態における超音波加工装置１は、中空の本体スリーブ２ａを有し、軸線Ｃ周りに回転駆動されるスピンドル２と、本体スリーブ２ａ内の軸線Ｃ上に配置される超音波振動子３と、本体スリーブ２ａに固定される支持ホーン４と、スピンドル２とともに軸線Ｃ周りに回転することによって被加工物を研削加工する加工工具５と、支持ホーン４との間に加工工具５を挟持する固定ホーン６とを有する。

超音波振動子３は、例えばセラミックス製の圧電素子３ａを正負の電極プレート３ｂ，３ｃの間に挟持し、その先端部分を、超音波振動を増幅させる質点として機能させる出力部３ｄとしたものである。この超音波振動子３は、電極プレート３ｂ，３ｃに給電ユニット（図示せず。）から通電がなされることにより、圧電素子３ａが作動して、出力部３ｄにその軸線Ｃ方向を振動方向（振動主軸）とする１５ｋＨｚ〜６０ｋＨｚの超音波振動を励起する。なお、超音波の周波数の下限の定義は一般的に統一されていないが、本発明においては１５ｋＨｚ以上の周波数を超音波とする。

図２に示すように、支持ホーン４は、例えばステンレス鋼などの工具鋼を素材とする一体成形品であり、超音波振動子３と同軸（軸線Ｃ）上に連接される本体部４ａと、加工工具５を貫通して固定ホーン６と固定される支持部４ｂと、本体部４ａの外周面の中央部に鍔状に形成された基部４ｃと、この基部４ｃの外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブ４ｄと、緩衝スリーブ４ｄをスピンドル２の本体スリーブ２ａに固定するためのフランジ４ｅとを有する。

本体部４ａは、超音波振動子３の出力部３ｄに連接される端面４ｆから加工工具５の端面５ａまでの中実円柱状部分であり、その長さは超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２である。支持部４ｂは加工工具５を貫通して突出する長さを有し、その先端部には固定ホーン６と締結するための雄ねじ４ｇが形成されている。

基部４ｃが形成された本体部４ａの中央部は、軸線Ｃ方向の位置が変化しないノード位置である。フランジ４ｅは、軸線Ｃ方向と交差する面を本体スリーブ２ａの先端部に接触させて固定する軸接フランジである。このフランジ４ｅには、本体スリーブ２ａの先端部に等間隔（４５°間隔）に８個形成されたねじ穴２ｂに対応する位置に、それぞれ貫通孔４ｉが形成されている。支持ホーン４は、この貫通孔４ｉを通じてねじ７が本体スリーブ２ａのねじ穴２ｂに締結されることにより、軸線Ｃ方向に拘束された状態で本体スリーブ２ａの先端に固定される。

固定ホーン６は、例えばステンレス鋼などの工具鋼を素材とする一体成形品であり、加工工具５の端面５ｂからの長さが超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２である。固定ホーン６の加工工具５の端面５ｂ側の中心には、支持ホーン４の雄ねじ４ｇと締結するための雌ねじ６ａが形成されている。この固定ホーン６の雌ねじ６ａを支持ホーン４の雄ねじ４ｇと締結すると、支持ホーン４の端面４ｈと加工工具５の端面５ａとが密着し、加工工具５の端面５ｂと固定ホーン６の端面６ｂとが密着して、加工工具５および固定ホーン６が支持ホーン４に固定される。

加工工具５は、支持ホーン４の支持部４ｂが差し込まれる差込孔５ｃが形成された胴部５ｄと、この胴部５ｄに連続して形成された鍔部５ｅと、円板状の回転砥石部５ｆとから構成される回転砥石である。前述の端面５ａ，５ｂは胴部５ｄの軸線Ｃ方向の両端面である。なお、加工工具５はスピンドル２の回転により被加工物に研削加工などの加工を施すものであれば良い。

上記構成の超音波加工装置１では、支持ホーン４と固定ホーン６との間に挟持される加工工具５は、支持ホーン４がスピンドル２の本体スリーブ２ａに固定されることによって片支持されている。そして、超音波振動子３により励起された超音波の縦振動は、加工工具５端面からの長さがその波長の１／２である支持ホーン４の本体部４ａおよび固定ホーン６と、加工工具５とにより共振し、加工工具５の半径方向の伸び縮み振動へと変換される。

このとき、超音波振動は、支持ホーン４の本体部４ａと同じ１／２波長の長さである固定ホーン６の先端まで伝わり、きれいに反射して戻ってくるので、支持ホーン４と加工工具５と固定ホーン６との波長が整って、きれいな共振状態となり、加工工具５の半径方向の伸び縮み振動へと変換される。図１の右は、超音波振動子３、支持ホーン４、加工工具５および固定ホーン６の半径方向および軸方向の振動振幅を示している。したがって、本実施形態における超音波加工装置１では、高効率な超音波加工を行うことが可能であり、省エネルギな装置を実現できる。

また、本実施形態における超音波加工装置１では、フランジ４ｅにより支持ホーン４がスピンドル２の本体スリーブ２ａに固定され、このフランジ４ｅが接続された円筒状の緩衝スリーブ４ｄが形成されている基部４ｃが、支持ホーン４の軸線Ｃ方向の位置が変化しないノード位置にあるうえ、緩衝スリーブ４ｄが弾性変形するため、本体部４ａに印加された超音波振動の本体スリーブ２ａへの漏洩が防止されており、さらに高効率である。

また、本実施形態における支持ホーン４は、超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部４ａと、加工工具５を貫通して固定ホーン６と固定される支持部４ｂとが一体化されたものであるため、スピンドル２の本体スリーブ２ａに固定された支持ホーン４の支持部４ｂに対して加工工具５を嵌め込み、支持部４ｂに固定ホーン６を固定することで、加工工具５を容易に取り付けることが可能である。

また、この超音波加工装置１では、加工工具５を嵌め込んだ支持ホーン４の支持部４ｂの先端部の雄ねじ４ｇに、固定ホーン６の雌ねじ６ａを締結することで、加工工具５を容易に取り付けることが可能である。また、加工工具５を取り外す際には逆の手順により容易に行うことが可能である。

なお、図１および図２に示した超音波加工装置１は、支持ホーン４側に支持部４ｂを備えた構成であるが、逆の構成とすることも可能である。図３は本発明の超音波加工装置の別の実施の形態を示す主要部の断面図である。

図３に示す超音波加工装置１０は、超音波振動子３が接続される支持ホーン１１側ではなく、固定ホーン１２側に本体部１２ａと一体化された支持部１２ｂを備えた構成である。本体部１２ａは、前述と同様、超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２の長さである。支持部１２ｂの先端部には、支持ホーン１１と締結するための雄ねじ１２ｃが形成されている。

一方、支持ホーン１１には、支持部が形成されておらず、超音波振動子３により励起さえる超音波振動の波長１／２の長さの本体部１１ａが形成されている。この支持ホーン１１の本体部１１ａには、固定ホーン１２の支持部１２ｂの雄ねじ１２ｃが締結される雌ねじ１１ｂが形成されている。支持ホーン１１の他の構成については、図１および図２の例と同様である。

このような構成においても、超音波振動子３により励起された超音波の縦振動は、加工工具５端面からの長さがその波長の１／２である支持ホーン１１および固定ホーン１２の本体部１２ａと、加工工具５とにより共振し、加工工具５の半径方向の伸び縮み振動へと変換される。このとき、超音波振動は、支持ホーン１１と同じ１／２波長の長さである固定ホーン１２の本体部１２ａの先端まで伝わり、きれいに反射して戻ってくるので、支持ホーン１１と加工工具５と固定ホーン１２との波長が整って、きれいな共振状態となり、加工工具５の半径方向の伸び振動へと変換される。

また、図４はさらに別の実施の形態を示している。図４に示す超音波加工装置２０は、超音波振動子３が接続される支持ホーン２１および固定ホーン２２の両方に、それぞれ本体部２１ａ，２２ａと一体化された支持部２１ｂ，２２ｂを備えた構成である。本体部２１ａ，２２ａは、前述と同様、超音波振動子３により励起される超音波振動の波長の１／２の長さである。

そして、支持ホーン２１の支持部２１ｂの先端部には、固定ホーン２２と締結するための雌ねじ２１ｃが形成されている。一方、固定ホーン２２の支持部２２ｂの先端部には、支持ホーン２１の雌ねじ２１ｃに締結される雄ねじ２２ｃが形成されている。支持ホーン２１の他の構成については、図１および図２の例と同様である。

このような構成においても、超音波振動子３により励起された超音波の縦振動は、加工工具５端面からの長さがその波長の１／２である支持ホーン２１の本体部２１ａおよび固定ホーン２２の本体部２２ａと、加工工具５とにより共振し、加工工具５の半径方向の伸び振動へと変換される。このとき、超音波振動は、支持ホーン２１の本体部２１ａと同じ１／２波長の長さである固定ホーン２２の本体部２２ａの先端まで伝わり、きれいに反射して戻ってくるので、支持ホーン２１と加工工具５と固定ホーン２２との波長が整って、きれいな共振状態となり、加工工具５の半径方向の伸び縮み振動へと変換される。

なお、図示しないが、支持ホーン２１の雌ねじ２１ｃと固定ホーン２２の雄ねじ２２ｃとを逆の構成とすることも可能である。また、図４の例では、支持ホーン２１と固定ホーン２２のそれぞれの支持部２１ｂ，２２ｂを同じ長さとしているが、それぞれの長さは０〜加工工具５の幅、あるいはそれ以上まで任意に変更可能である。

本発明の超音波加工装置は、各種研削工具などの加工工具に超音波振動を印加しながら被加工物に高効率な研削加工、切削加工や塑性加工などの加工を施すための装置として有用である。

１，１０，２０ 超音波加工装置
２ スピンドル
２ａ 本体スリーブ
３ 超音波振動子
３ａ 圧電素子
３ｂ，３ｃ 電極プレート
３ｄ 出力部
４，１１，２１ 支持ホーン
４ａ，１１ａ，１２ａ，２１ａ，２２ａ 本体部
４ｂ，１２ｂ，２１ｂ，２２ｂ 支持部
４ｃ 基部
４ｄ 緩衝スリーブ
４ｅ フランジ
４ｇ，１２ｃ，２２ｃ 雄ねじ
５ 加工工具
６，１２，２２ 固定ホーン
６ａ，１１ｂ，２１ｃ 雌ねじ

Claims (5)

1. 中空の本体スリーブを有し、軸線周りに回転駆動されるスピンドルと、
   前記本体スリーブ内の前記軸線上に配置される超音波振動子と、
   前記本体スリーブに固定され、前記超音波振動子と同軸上に連接される支持ホーンと、
   この支持ホーンとの間に前記軸線周りに回転させる加工工具を挟持する固定ホーンとを有し、
   前記支持ホーンおよび固定ホーンは、前記加工工具の端面からの長さが前記超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２である
   ことを特徴とする超音波加工装置。
2. 前記支持ホーンは、前記超音波振動子が連接される本体部と、この本体部の外周面の中央部に鍔状に形成された基部と、この基部の外周を軸線方向に延設して形成された弾性を有する円筒状の緩衝スリーブと、前記緩衝スリーブを前記本体スリーブに固定するためのフランジとを有するものである
   請求項１記載の超音波加工装置。
3. 前記支持ホーンは、前記超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、前記加工工具を貫通して前記固定ホーンと固定される支持部とが一体化されたものである請求項１または２に記載の超音波加工装置。
4. 前記固定ホーンは、前記超音波振動子により励起される超音波振動の波長の１／２の長さの本体部と、前記加工工具を貫通して前記支持ホーンと固定される支持部とが一体化されたものである請求項１または２に記載の超音波加工装置。
5. 前記支持部の先端部が雄ねじであり、この雄ねじに締結される雌ねじによって前記支持ホーンと固定ホーンとは固定されるものである請求項３または４に記載の超音波加工装置。

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